Development of meshfree RBF modeling method applied to helical piles
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Publication date
2024-03
Defense date
2024-03-20
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Abstract
Screw piles (also known as helical piling) are a common foundation technique that consists of screwing metal tubes into the ground with one or more welded round helices. These elements are increasingly employed in the industry due to their environmental neutrality and low cost compared to other foundation techniques. Helical piles have many advantages compared to other foundation types, including cost-effectiveness, removability and reusability, less noise and vibration during installation, and ease of installation. However, their study requires high experimental costs. This doctoral thesis focuses on the development of a mathematical tool that allows the calculation of piles according to the characteristics of the soil, the subjected loads, the number of helices, and their arrangement. This tool must be viable and focused on an industrial environment, i.e., easy to use. For its development, the Radial Basic Functions (RBF) method without mesh has been used, which allows to develop the calculation in less time than other approaches, such as the Finite Element Method. The research is carried out using an experimental and numerical methodology. First, a software based on RBF is developed and validated with simple cases of beams subjected to simple loads. Then, the feasibility of the developed software in heat transfer, elastodynamic, and articulated structures applications is studied. Finally, an experimental and numerical study is carried out under real conditions of heicoidal piles carried out in sandy soil in the city of Queven (Brittany, France). Experimental tests have been carried out with helical piles with different number of helices and distance between them, subjected to compression loads and lateral loads. The developed
software correctly predicted the mechanical behavior of the pile driven into the ground. Once validated, the numerical tool is used to optimize the piles in Queven soil conditions, concluding that a pile with 3 helices is sufficient to comply with current European regulations, achieving a satisfactory balance between maximum load capacity and reduced production costs.
Los pilotes de tornillo (también conocidos como pilotos helicoidales) son una técnica de cimentación común que consiste en atornillar tubos metálicos en el suelo con una o varias hélices redondas soldadas. Estos elementos son cada vez más empleados en la industria debido a la neutralidad ambiental y a su bajo costo en comparación con otras técnicas de cimentación. Los pilotes helicoidales tienen muchas ventajas en comparación con otros tipos de cimentación, incluida la rentabilidad, la posibilidad de desmontaje y reutilización, la menor cantidad de ruido y vibraciones durante la instalación, y la facilidad de instalación. Sin embargo, su estudio requiere de un alto coste experimental. Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de una herramienta matemática que permita el calculo de pilote en función de las características del suelo, las cargas sometidas, el numero de hélices, y su disposición. Esta herramienta debe ser viable y enfocada en un entorno industrial, es decir, de fácil uso. Para su desarrollo, se ha empleado el método de Radial Basic Functions (RBF) sin malla, que permite desarrollar el cálculo en tiempos inferiores a los de otras aproximaciones, como el Método de los Elementos Finitos. La investigación llevada a cabo se realizado empleando una metodología experimental y numérica. En primer lugar, se desarrolla un software basado en RBF que es validado con casos sencillos de vigas sometidas a cargas simples. A continuación, se estudia la viabilidad del software desarrollado en aplicaciones de transferencia de calor, elastodinámicas y en estructuras articuladas. Por último, se realiza un estudio experimental y numérico en condiciones reales de los pilotes heicoidales llevados a cabo en suelo arenoso en la ciudad de Queven (Bretaña Francesa, Francia). Se han llevado a cabo ensayos experimentales con pilotes helicoidades con diferente número de hélices y distancia entre ellos, sometidos a cargas de compresión y cargas laterales. El software desarrollado predijo correctamente el comportamiento mecánico del pilote introducido en la tierra. Una vez validado, la herramienta numérica se emplea para optimizar los pivotes en las condiciones del suelo de Queven, concluyendo que un pivote con 3 hélices es suficiente para cumplir las regulaciones actuales europeas, logrando un equilibrio satisfactorio entre la máxima capacidad de carga y la disminución de los costes de producción.
Los pilotes de tornillo (también conocidos como pilotos helicoidales) son una técnica de cimentación común que consiste en atornillar tubos metálicos en el suelo con una o varias hélices redondas soldadas. Estos elementos son cada vez más empleados en la industria debido a la neutralidad ambiental y a su bajo costo en comparación con otras técnicas de cimentación. Los pilotes helicoidales tienen muchas ventajas en comparación con otros tipos de cimentación, incluida la rentabilidad, la posibilidad de desmontaje y reutilización, la menor cantidad de ruido y vibraciones durante la instalación, y la facilidad de instalación. Sin embargo, su estudio requiere de un alto coste experimental. Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de una herramienta matemática que permita el calculo de pilote en función de las características del suelo, las cargas sometidas, el numero de hélices, y su disposición. Esta herramienta debe ser viable y enfocada en un entorno industrial, es decir, de fácil uso. Para su desarrollo, se ha empleado el método de Radial Basic Functions (RBF) sin malla, que permite desarrollar el cálculo en tiempos inferiores a los de otras aproximaciones, como el Método de los Elementos Finitos. La investigación llevada a cabo se realizado empleando una metodología experimental y numérica. En primer lugar, se desarrolla un software basado en RBF que es validado con casos sencillos de vigas sometidas a cargas simples. A continuación, se estudia la viabilidad del software desarrollado en aplicaciones de transferencia de calor, elastodinámicas y en estructuras articuladas. Por último, se realiza un estudio experimental y numérico en condiciones reales de los pilotes heicoidales llevados a cabo en suelo arenoso en la ciudad de Queven (Bretaña Francesa, Francia). Se han llevado a cabo ensayos experimentales con pilotes helicoidades con diferente número de hélices y distancia entre ellos, sometidos a cargas de compresión y cargas laterales. El software desarrollado predijo correctamente el comportamiento mecánico del pilote introducido en la tierra. Una vez validado, la herramienta numérica se emplea para optimizar los pivotes en las condiciones del suelo de Queven, concluyendo que un pivote con 3 hélices es suficiente para cumplir las regulaciones actuales europeas, logrando un equilibrio satisfactorio entre la máxima capacidad de carga y la disminución de los costes de producción.
Description
Keywords
Helical piles, Radial basic functions, Mesh-free RBF method, Finite element method, Experimental tests